Sannolikhetsbaserad dimensionering av geoteknisk bärförmåga för pålar i grupp

Sannolikhetsbaserad

dimensionering av geoteknisk

bärförmåga för pålar i grupp

En jämförelse mellan gällande normer och en

sannolikhetsbaserad metod

J

IMMIE

A

NDERSSON

Examensarbete

Stockholm 2014

© Jimmie Andersson 2014 Examensarbete 14/10 ISSN 1652-599X

Avd. Jord- och Bergmekanik Kungliga Tekniska Högskolan

Sammanfattning

När pålar och pålgrupper dimensioneras måste den geotekniska bärförmågan för pålarna verifieras. Detta utförs i Sverige normalt med hjälp av dynamisk provbelastning, även kallat stötvågsmätning. Eurokoden och de nationella valen, Boverkets författningssamling och Trafikverkets författningssamling, använder sig av partialkoefficientmetoden för att beräkna den dimensionerande bärförmågan utifrån de utförda stötvågsmätningarna. En pålgrupp är normalt en redundant, statisk obestämd konstruktion där geotekniskt brott för en påle inte nödvändigtvis betyder total kollaps för hela pålgruppen. Om pålgruppen bär upp en styv konstruktion kan fördel dras av att konstruktionen kan omfördela laster från ”svagare” till ”starkare” pålar. Trafikverket tillåter att denna effekt tillgodoräknas då den geotekniska bärförmågan dimensioneras med hjälp av en styvhetsfaktor medan Boverket och Eurokoden inte tillåter detta vid just stötvågsmätning. Vid statisk provbelastning tillåter alla tre att denna effekt tillgodoräknas via användning av styvhetsfaktorn.

Målet med detta examensarbete var att klargöra om dimensionering enligt partialkoefficient-metoden sker med rimliga partialkoefficienter och därmed ger rimliga dimensionerande bärförmågor. Särskild hänsyn till gruppeffekter mellan pålarna har tagits. Detta har utretts med hjälp av en sannolikhetsbaserad metod enligt ”First Order Reliability Method”, FORM. Både fallet med enskilda pålar och pålar i grupp har undersökts och jämförts. En fallstudie där datat hämtats från riktiga utförda projekt har genomförts och dimensionering enligt FORM samt partialkoefficientmetoden har jämförts för de olika fallen. Pålgrupperna har modellerats som parallella system där hänsyn tagits till korrelationen mellan pålarna i pålgruppen. Vid utredningen av partialkoefficienterna har lasten betraktats deterministiskt då en fullständigt sannolikhetsteoretisk lastmodell inte arbetats fram. Lasten har även beaktats sannolikhets-teoretiskt med en förenklad lastmodell för att utreda hur detta påverkar beräkningarna.

Det viktigaste resultatet vilket framkommit under arbetet har varit att när pålgruppseffekter beaktas spelar spridningen mycket stor roll för om β-metoden blir gynnsam eller ej jämfört med partialkoefficientmetoden. Även korrelationen mellan pålarna påverkar resultatet i stor utsträckning. Vidare så förefaller partialkoefficientmetoden enligt Trafikverket och Boverket ge rimliga partialkoefficienter när enskilda pålar betraktas. Med grund i litteraturstudien kan det även konstateras att två effekter utöver lastspridning leder till en ökad säkerhet för pålgrupper, nämligen grupp- och systemeffekter. Dessa effekter speglar att last kan spridas från pålarna eller ovanliggande konstruktion direkt till jorden eller att lastspridning kan ske mellan olika pålgrupper. Ingen logisk förklaring har funnits till varför Eurokoden och Boverket exkluderar styvhetsfaktorn när dynamisk provbelastning används medan den tillåts att användas då statisk provbelastning används för att verifiera denna.

Nyckelord: Sannolikhetsbaserad dimensionering, β-metoden, partialkoefficienter, geoteknisk bärförmåga, pålar, pålgrupper, gruppeffekter

Abstract

When piles and pile groups are designed, the geotechnical bearing capacity have to be verified. In Sweden, the most common way of testing the piles is high strain dynamic testing. Eurocode and the Swedish national annexes “Boverkets författningssamling” and “Trafikverkets författningssamling” use a method containing partial safety factors to calculate the design value of the geotechnical bearing capacity from high stain dynamic testing. A pile group is normally a redundant, statically indeterminate structure, where failure of the geotechnical bearing capacity for one pile does not necessarily lead to total failure of the pile group. If the pile group carries a stiff structure, the advantage of load redistribution can be utilized to transfer loads from “weak” to “strong” piles. When calculating the geotechnical bearing capacity according to Trafikverket the redundant effect is introduced by a stiffness factor. Eurocode and Boverket do not allow this stiffness factor to be used when the geotechnical bearing capacity is verified by high strain dynamic testing. When static load testing is used to verify the geotechnical bearing capacity all three allow the use of the earlier mentioned stiffness factor.

The main goal of this master thesis has been to investigate whether design according to the Eurocode gives reasonable results, especially with regard to group effects between the piles. This was assessed using reliability-based design according to the “First Order Reliability Method”, FORM. Both individual piles and pile groups have been investigated. A case study was also conducted based on data from real projects high strain dynamic testing of piles. Design according to the Eurocode and the FORM-analysis has been compared in the case study. The pile groups were modelled as a parallel system with ductile elements including the correlation between the piles. When the partial safety factors were assessed, the load was treated deterministically. The load was also modelled using reliability theory to assess the impact of how the load was modelled.

The main results were that the measured variation of the bearing capacity greatly affects the outcome of the design when comparing the FORM-analysis and design according to the Eurocode and the national annexes for pile groups. Also, the correlation between the piles affected the result in various degree. Design according to the FORM-analysis yields partial safety factors of the same order of magnitude as Trafikverket and Boverket when comparing single piles. From the literature review two things were identified as factors affecting the level of safety in pile groups, group and system effects. These effects reflect that stresses can be transferred from the piles or the construction directly into the soil or the load can be spread between different pile groups. Furthermore no logical explanation was found to why Eurocode and Boverket forbid the use of the stiffness factor when high strain dynamic testing is used while they allow it when static load testing is used to verify the pile capacity.

Keywords: Reliability based design, partial safety factors, geotechnical bearing capacity, piles, pile group, group effects

Förord

Med detta examensarbete avslutar jag mina studier på Samhällsbyggnadsprogrammet 300 HP, Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm. Arbetet har utförts på Avdelningen för jord- och

bergmekanik i sammarbete med konsultfirman ELU Konsult. Tekn. Dr. Gary Axelsson,

avdelningschef för geoteknikgruppen på ELU Konsult Stockholm, är initiativtagare till arbetet och har även agerat handledare.

Jag vill framförallt tacka min handledare Tekn. Dr. Gary Axelsson för de stöd och den handledning han har bidragit med under arbetets gång. Jag vill även tacka alla kollegor på

ELU Konsult för alla glada stunder samt all inspiration ni har bidragit med. Ett särskilt tack

vill jag rikta till Geoteknikgruppen i Stockholm där jag haft min arbetsplats under tiden examensarbetet utfördes. Vid KTH vill jag även rikta ett tack till Professor Stefan Larsson eftersom han väckt mitt intresse för geoteknik samt handlett mig i det vetenskapliga skrivandet, doktoranderna Niclas Bergman och Alexandra Krounis då de hjälpt till och svarat på de frågor vilka framkommit under arbetet. Jag vill tacka doktoranden Johan Spross för hans värdefulla kommentarer på innehållet i arbetet. Jag vill även rikta ett tack till Tekn. Dr.

Elisabeth Helsing eftersom hon svarat på frågor via mail samt hjälpt mig finna svårfunnen

litteratur. Sist men inte minst vill jag självfallet tacka min familj och mina nära och kära för all stöttning och uppmuntran de givit mig under studietiden vid KTH.

Stockholm, Juni 2014

Innehållsförteckning

Sammanfattning ... i

Abstract ... iii

Förord ... v

Symbolförteckning och förkortningar ... xi

1 Introduktion ... 1 1.1 Bakgrund ... 1 1.2 Syfte och mål ... 2 1.3 Disposition ... 3 2 Litteraturstudie ... 5 2.1 Provning av pålar ... 5

Statisk kontra dynamisk provbelastning ... 6

2.2 Provning av pålar enligt Eurokod 7 ... 7

Kommentarer till provning av pålar enligt Eurokod ... 9

2.3 Förväntad geoteknisk bärförmåga ... 10

2.4 Olika metoder för utvärdering av säkerhet ... 11

2.5 Säkerhetsindex ... 12

2.6 Grundläggande tillförlitlighetsanalys ... 14

2.6.1 Fördelningar ... 14

2.6.2 Gränsvärdesfunktionen ... 17

2.7 Transformation och viktningsfaktorer ... 18

2.8 Eurokod och tillförlitlighetsanalys ... 20

2.9 Serie- och parallellsystem ... 20

Pålgrupper ... 21

2.10 Pålgruppseffekter ... 22

2.10.1 Pålgruppseffekter, PGE ... 22

2.11 Osäkerheter vid pålning och i pålgrupper ... 23

2.11.1 Systematiska fel ... 24

2.11.2 Storlek på de systematiska felen ... 25

2.12 Laster ... 26

2.12.1 Deterministisk last ... 26

2.12.2 Stokastisk lastvariabel ... 26

2.12.3 Laster enligt Eurokod ... 27

2.13 Modellosäkerhet och fåtalsprovning ... 27

2.14 Korrelation ... 30

2.14.1 Beroendemått ... 30

2.14.2 Variansreduktion vid pålgrupper och spatial korrelation ... 31

2.15 Dimensionerande värde ... 32 Beräkning av partialkoefficienter ... 32 2.16 Sammanfattning ... 33 3 Metod ... 37 3.1 Gränstillstånd ... 37 3.2 Införandet av pålgruppseffekter ... 37

3.3 Generell metod vid beräkning ... 38

3.3.1 Enskilda pålar ... 39

3.3.2 Pålgrupper ... 39

3.3.3 Antaganden och begränsningar ... 40

3.3.4 Specialfall: Alla pålar testade ... 41

3.4 Hantering av avvikelser vid provning ... 42

4 Generella analyser ... 43

4.1 Analys och förutsättningar ... 43

4.1.1 Variationskoefficient för slagna betongpålar ... 43

4.1.2 Stötvågsmätning av enskilda pålar ... 43

4.1.3 Valt betraktelsesätt för lasten ... 44

4.1.4 Inverkan av andel permanent och variabel last ... 44

4.2 Resultat ... 46

4.2.1 Variationskoefficient för slagna betongpålar ... 46

4.2.2 Stötvågsmätning av enskilda pålar ... 48

4.2.3 Valt betraktelsesätt för lasten ... 50

5 Enskilda pålar ... 53

5.1 Analys och förutsättningar ... 53

5.1.1 Skillnader mellan partialkoefficientmetoden och β-metoden ... 53

5.1.2 Försök till kurvanpassning mellan partialkoefficientmetoden och β-metoden ... 54

5.2 Resultat ... 54

5.2.1 Skillnader mellan partialkoefficientmetoden och β-metoden ... 54

5.2.2 Försök till kurvanpassning mellan partialkoefficientmetoden och β-metoden ... 57

6 Pålgrupper och pålgruppseffekter ... 59

6.1 Analys och förutsättningar ... 59

6.1.1 Jämförelse vid användandet av partialkoefficientmetoden ... 59

6.1.2 Korrelationens och storlekens inverkan på partialkoefficienten ... 59

6.1.3 Systematiskt fel och pålgruppseffekter ... 60

6.2 Resultat ... 60

6.2.1 Jämförelse vid användandet av partialkoefficientmetoden ... 60

6.2.2 Korrelationens och storlekens inverkan på partialkoefficienten ... 62

6.2.3 Systematiska fel och pålgruppseffekter ... 64

7 Fallstudier ... 65

7.1 Analys och indata ... 65

7.1.1 9 pålar ... 65

7.1.2 5 pålar med hög spridning ... 67

7.2 Resultat ... 67

7.2.1 9 pålar ... 67

7.2.2 5 pålar med hög spridning ... 71

7.3 Sammanfattning av resultaten från fallstudien ... 74

8 Diskussion och slutsats ... 75

8.1 Diskussion ... 75

8.1.1 Modellosäkerhet, fåtalsprovning och mätfel ... 75

8.1.2 Variationskoefficient för bärförmågan ... 77

8.1.3 Valt betraktelsesätt för lasten ... 78

8.1.4 Jämförelse mellan partialkoefficientmetoden och β-metoden för enskilda pålar ... 79

8.1.5 Pålgruppseffekter ... 79

8.1.7 Generella synpunkter och tankar ... 82

8.2 Slutsats ... 83

8.3 Förslag på vidare forskning och utveckling ... 85

Litteraturförteckning ... 87

A Data för utvärdering av mätfel ... 91

Symbolförteckning och förkortningar

Symbolförteckningen är uppdelad i symboler och indexering (SYMBOLINDEXERING). Först

redovisas symbolerna i alfabetisk ordning varefter variabler för indexering redovisas, även dessa i alfabetisk ordning.

Symbol er

Viktningsfaktor Säkerhetsindex

Partialkoefficient/Modellfaktor (modellfaktor om indexering indikerar detta, annars partialkoefficient)

Variansreduktionsfaktorn, ett mått på den spatiala korrelationen mellan olika provningspunkter Kovarians Variationskoefficient [%] Töjning [%] Naturliga talet Lasteffekt för egentyngd [kN]

Funktion vilken beskriver brottsannolikheten Beteckning för gränsvärdesfunktionen [kN] Beteckning för täthetsfunktionen [%]

Faktor vilken korrigerar för systematiska fel (biasfaktor) Beteckning för nämnaren i Ekvation (2.20)

Faktor för hantering av fåtalsprovning enligt Hercules & Pålgruppen (1991)

Medelvärdet för den underliggande normalfördelningen Medelvärde [kN / -]

Antalet stokastiska variabler i gränsvärdesfunktionen Antal pålar i pålgruppen

Antalet provade pålar Oändligheten

ψ0 Kombinationsfaktor vid lastkombinering enligt Eurokod Sannolikheten att [%]

(Medel) korrelationsfaktor1 vid β-metoden, utan index betecknar denna medelkorrelationen, med index betecknar denna korrelationen mellan påle i och j Bärförmåga [kN]

Standardavvikelsen [kN / -] Varians [kN2 / -]

Lasteffekt för variabel last [kN]

Skattad standardavvikelse, ibland kallad [kN] Säkerhetsfaktor

Korrelationskoefficient för medelvärdet vid stötvågsmätning vid dimensionering enligt partialkoefficientmetoden

Korrelationskoefficient för minimivärdet vid stötvågsmätning vid dimensionering enligt partialkoefficientmetoden

Korrelationskoefficienten allmänt

Styvhetsfaktor vilken får användas vid dimensionering enligt Trafikverket vid

dynamisk provbelastning (får användas av alla vid statisk provbelastning) Underliggande normalfördelad variabel / Normalfördelad variabel

Värden ur datamängden x (exempelvis uppmätta bärförmågor) [kN / -] Medelvärde för x [kN / -]

Dimensionerande värde för variabel x [kN / - ]

1 _{Här benämnd korrelationsfaktorn kallas normalt för korrelationskoefficient. Dock har}

partialkoefficientmetoden en parameter vilken benämns korrelationskoefficient ( varför namnet ändrats i detta examensarbete för att undvika förvirring.

Värden ur datamängden y (exempelvis uppmätta bärförmågor) [kN / -] Medelvärde för y [kN / -]

Lognormalfördelad variabel

Standardavvikelsen för den underliggande normalfördelningen Standardiserad normalfördelad variabel

Indexering

Krävt/av norm föreskrivet (exempelvis β) Referensperiod 1 år

Boverket

Beteckning för bärförmåga Dimensionerande värde Enskilt element (en i gruppen)

Eurokod (Vid partialkoefficientmetoden) / Permanent last vid β-metoden Permanent och variabel last

Gruppens

Mellan påle i och j (korrelation)

Variabel för indexering av datamängder Karakteristiskt värde

Beteckning för att särskilja lognormalfördelningen från normalfördelningen då risk för feltolkning annars föreligger

Modellfaktor

Modellfaktor då hela pålgruppen utvärderats med stötvågsmätning Uppmätt värde

Maximalt värde Medelvärde

Minvärde

Pålgruppseffekter enligt Zhang et al. (2001) Bärförmåga

Modellfaktor vid partialkoefficientmetoden Enskild påle

Variabel lasteffekt Sant värde

Skattat värde Specificerat

Spetsburen påle (partialkoefficienten) enligt Eurokod, Trafikverket och Boverket Total Transformation (transformationsfel) Trafikverket För variabler x och y Stokastisk variabel X Referensperiod ye år Förk ortningar BFS Boverkets Författningssamling

CAPWAP Case Pile Wave Analysis Program, program vilket används för att utföra kurvanpassning vid stötvågsmätning

CGS Centrala Gränsvärdessatsen

FORM First Order Reliability Method – Första ordningens tillförlitlighetsmetod

FOSM First Order- Second Moment method

JCSS Joint Committé on Structural Safety

PGE Pålgruppseffekt enligt Zhang et al. (2001)

PP Provpåle

SK Säkerhetsklass

TRVFS Trafikverkets Författningssamling

WEAP Wave Equation Analysis Program, program vilket används för att utföra

INTRODUKTION.BAKGRUND

1

Introduktion

1.1 Bakgrund

När pålar dimensioneras måste den geotekniska bärförmågan för dessa dimensioneras och verifieras. En vanligt använd metod för att verifiera geoteknisk bärförmåga är stötvågsmätning. Vid stötvågsmätning exciteras pålen med hjälp av en hejare och acceleration samt töjning mäts. Den insamlade datan kan sedan användas för att beräkna den geotekniska bärförmågan. Statisk provbelastning är en annan vanligt använd metod att verifiera geoteknisk bärförmåga med. Pålen provbelastas då statiskt med hjälp av tyngder eller exempelvis en domkraft.

Vid tillämpning av Eurokod skall de nationellt valda parametrarna föreskrivna av Trafikverket och Boverket användas. Trafikverket och Boverket har båda gjort nationella val kopplade till geoteknisk bärförmåga för pålar, dock skiljer sig partialkoefficienterna åt (Boverket, 2013; Trafikverket, 2011). En pålgrupp är vanligtvis en redundant, statiskt obestämd konstruktion där geotekniskt brott för en påle normalt inte betyder total kollaps för hela konstruktionen. Detta har påvisats av bland annat Poulus (2005), Zhang et al. (2001) och Paikowsky (2004). Vid dimensionering enligt Boverket får ingen hänsyn tas till att pålar står i grupp. Pålarna dimensioneras som enskilda element och ingen hänsyn tas till redundansen i systemet (Boverket, 2013). Vid dimensionering enligt Trafikverket inkluderas redundansen genom en styvhetsfaktor (Trafikverket, 2011). Denna styvhetsfaktor får endast användas givet att pålarna är sammanbundna av en styv överliggande konstruktion. På detta sätt tas således hänsyn till att last kan spridas från ”svagare” till ”starkare” pålar. Denna skillnad, tillsammans med det faktum att Boverkets partialkoefficient för geoteknisk

Figur 1.1: Stötvågsmätning av påle med frifallhejare vid Slussen.

Foto: Jimmie Andersson

INTRODUKTION.SYFTE OCH MÅL

bärförmåga är högre än Trafikverkets, medför att fler pålar krävs vid dimensionering enligt Boverket jämfört med Trafikverket. Detta är giltigt så länge den dimensionerande geotekniska bärförmågan är lägre än den dimensionerande strukturella bärförmågan. En påles dimensionerande bärförmåga är det minsta värdet av den strukturella och den geotekniska bärförmågan för pålen.

Sannolikhetsbaserad dimensionering är tillåtet enligt Eurokod, Boverket och Trafikverket men har, enligt författarens vetskap, sällan använts vid praktisk dimensionering av pålar. Dessa sannolikhetsbaserade metoder kan dock ligga till grund för de partialkoefficienter vilka normalt används vid dimensionering enligt normer (Thoft-Christensen & Baker, 1982; NKB, 1987). För större projekt kan möjligheten att kalibrera egna partialkoefficienter eller att utvärdera säkerheten direkt med β-metoden potentiellt spara större summor pengar.

β-metoden är en beräkningsmetod för att utvärdera säkerheten i en konstruktion, givet att

medelvärde och spridning för de ingående variablerna är kända (Thoft-Christensen & Baker, 1982). Förtjänsten av att kunna utnyttja pålarna till en högre grad är att färre pålar krävs, vilket medför reducerade kostnader i form av minskad materialåtgång och minskade installationskostnader för pålarna. Vidare leder detta även till ett mer hållbart byggande där färre installerade pålar medför en minskad belastning för miljön.

1.2 Syfte och mål

Huvudsyftet med detta examensarbete har varit att jämföra dimensionering av geoteknisk bärförmåga enligt partialkoefficientmetoden och β-metoden. Målet har varit att med hjälp av

β-metoden utreda huruvida partial- och korrelationskoefficienter föreslagna av Boverket

respektive Trafikverket är rimliga, särskilt med hänsyn till gruppeffekter och behandlingen av dessa. Ett mindre delmål var även att finna en förklaring till varför Eurokoden och Boverket ignorerar gruppeffekterna vid stötvågsmätning men tillåter dessa vid andra sätt att verifiera den geotekniska bärförmågan.

Hanteringen av osäkerheter skiljer sig åt i här utvecklad metod jämfört med det som tidigare publicerats. Tidigare publikationer av exempelvis Zhang et al. (2001), Bauduin (2003), Paikowsky (2004) och Zhang et al. (2005) har alla utrett likartade problem vilka undersöks här. Den stora skillnaden mellan tidigare publikationer och denna är att de tidigare på något sätt skiljer sig i hanteringen av osäkerheter. För enskilda pålar har fåtalsprovning, effekten av att endast ett fåtal pålar provats och ej alla, även beaktats vilket tidigare publikationer inte på ett tydligt sätt beskriver hur de har gjort. Skillnaderna mellan tidigare analyser och här utförda analyser kan kort sammanfattas som:

- Annorlunda hantering av osäkerheter när både mätfel och modellfel (transformationsfel) inkluderas i analysen

- Fåtalsprovning beaktas då enskilda pålar studeras

- Eurokodens svenska nationella bilagor granskas och jämförs dels med Eurokodens egna föreslagna värden för dimensionering samt med beräkning enligt β-metoden med hänsyn till enskilda och pålar i grupp

INTRODUKTION.DISPOSITION

1.3 Disposition

Kapitel 2 presenterar litteraturstudien. Här redogörs för de krav normerna ställer samt grunderna för β-metoden och kalibrering av partialkoefficienter. Kapitel 2 inleds med en genomgång av generella provningsmetoder för pålar för att sedan förklara hur partialkoefficientmetoden används i samband med provningar av pålar. Efter detta redogörs grunderna för β-metoden samt de krav vilka ställs av exempelvis Boverket. Kapitlet avslutas med en genomgång av hur dimensionerande värden beräknas samt hur partialkoefficienter kan kalibreras.

Kapitel 3 redovisar den utvecklade β-metoden, vilka antaganden den bygger på samt hur den generella beräkningsmetoden genomförs. Detta kapitel bygger på de fakta och ekvationer vilka presenterats i Kapitel 2. Viss hantering av avvikelser vid mätning presenteras även översiktligt.

Kapitel 4 innehåller analyser av exempelvis mätfel, variationskoefficienter för slagna betongpålar och lastens inverkan på beräkningarna. Grunder och indata för analyserna samt respektive resultat presenteras. Kapitel 4 är disponerat så att de analyser vilka utförs först förklaras varefter resultatet från dessa presenteras. En del av det som presenteras i Kapitel 4 fungerar sedan som indata till övriga utförda analyser presenterade i efterföljande kapitel. Kapitel 5 behandlar analys och resultat för enskilda pålar. En jämförelse mellan partialkoefficientmetoden samt β-metoden för enskilda pålar utförs. Ett försök att anpassa

β-metodens resultat mot partialkoefficientmetoden utförs. Kapitel 5 är disponerat genom att

först redogöra för alla de analyser vilka utförs varefter resultatet för respektive analys presenteras.

Kapitel 6 utreder hur systematiska fel (bias) och korrelation påverkar bärförmågan för en pålgrupp. Kapitlet är disponerat så att alla analyser och indatat till dessa först presenteras. Efter detta presenteras resultatet för respektive analys.

Kapitel 7 presenterar resultatet av en fallstudie där partialkoefficientmetoden jämförs mot beräkning enligt β-metoden. Kapitel 7 är disponerat så att indatat för de olika fallstudierna presenteras först varefter resultatet för respektive fall presenteras.

Kapitel 8 innehåller diskussion av resultaten från Kapitel 2-7. Efter diskussionen sammanfattas de slutsatser vilka kunnat dras baserat på de utförda analyserna samt diskussionen. Kapitlet avslutas med att presentera områden där vidare utredning och forskning kan krävas baserat på det som framkommit i Kapitel 2-7.

LITTERATURSTUDIE.PROVNING AV PÅLAR

2

Litteraturstudie

2.1 Provning av pålar

Provning av pålar kan ske på två sätt, statiskt och dynamiskt. Vid statisk provning lastas pålen med en last som sedan vidhålls under en längre tid. Normalt förförande i Sverige är att öka lasten stegvis med intervaller om 15 minuter (Sandgren, et al., 1980). Vid dynamisk provning exciteras pålen med hjälp av en hejare och töjning samt acceleration registreras. Utifrån dessa data kan en beräkning av den statiska bärförmågan utföras (Axelsson & Baker, 2007). De båda sätten testar normalt pålarna innan de gjutits in i någon form av fundament vilket är väl synligt i Figur 2.1 a) och b) nedan.

a)

Foto: Johan Olovsson, ELU Konsult AB – med tillstånd

b)

Foto: Jimmie Andersson

Figur 2.1: a) Statisk provbelastning av påle i Slussen. b) Dynamisk provbelastning av påle i Slussen, töjningsgivare samt accelerometer är monterade på ömse sidor om pålen.

LITTERATURSTUDIE.PROVNING AV PÅLAR

Vid statisk provbelastning definieras bärförmågan vid en given sättning. Ett flertal olika brottkriterium finns vid statisk provbelastning, däribland Davissons brottkriterium (Alheid, et al., 2014; Paikowsky, 2004). För Davissons brottkriterium utvärderas bärförmågan för pålen vid en given sättning av påltoppen (Axelsson & Baker, 2007). Den begränsande sättningen av påltoppen vid användning av Davissons brottkriterium beror av pålens elastiska sammantryckning samt pålens diameter. Davissons brottkriterium anses vara ett relativt konservativt kriterium då sättningen normalt är mycket liten vid utvärdering av bärförmågan (Alheid, et al., 2014; Axelsson & Baker, 2007). Eurokodens brottkriterium för statisk provbelastning är definierat som då sättningen för påltoppen uppgår till 10 % av diametern för pålen (CEN, 2004). I Figur 2.1 a) ovan ses utrustningen vilken krävs för att utföra en statisk provbelastning. Utrustningen innefattar i detta fall bland annat en styv balk samt domkraft. Vid dynamisk provbelastning av pålar, även kallat stötvågsmätning, beräknas den statiska bärförmågan genom dynamisk provning av pålen. De vanligast använda metoderna vid stötvågsmätning i Sverige är CASE- och CAPWAP-metoden (Alheid, et al., 2014). Vid användning av CASE-metoden utnyttjas den ingående stötvågen, reflexen av denna från spetsen, en dämpningsfaktor samt en matematisk formel. Dämpningsfaktorn används för att erhålla den statiska bärförmågan och är korrelerad mot statiska provbelastningar. CASE-metoden bör därför endast användas där tidigare erfarenhet finns av stötvågsmätning i likartade geotekniska förhållanden (Paikowsky, 2004).

Vid CAPWAP-analys utförs kurvanpassning för att beräkna bärförmågan (Paikowsky, 2004). CAPWAP-analys grundar sig i endimensionell vågteori. Pålen diskretiseras i många små element och jordens inverkan simuleras av fjädrar i noderna för varje element (Alheid, et al., 2014). Baserat på detta så kan en anpassning av stötvågskurvorna utföras så att beräknad respons och uppmätt respons på ett fullgott sätt matcher varandra. Utifrån denna anpassning kan den geotekniska bärförmåga och dämpningsfaktorer utvärderas. En påle kan principiellt vara mantelburen eller spetsburen. Då pålen är mantelburen bärs den huvudsakligen av friktion/kohesion mellan pålens mantel och jorden. En spetsburen påle bärs i huvudsak av påltån då denna står på bra jord eller berg. Vid stötvågsmätning av mantelburna pålar ska CAPWAP-analys användas då CASE-metoden är utvecklad för spetsburna pålar (Axelsson & Baker, 2007). Dämpningsfaktorn skiljer sig åt för en mantelburen påle jämfört med en spetsburen varför CAPWAP-analys bör användas för att kartlägga dämpningsfaktorn om pålen är mantelburen.

Vid stötvågsmätning kan mer information än den geotekniska bärförmågan utvärderas, bland annat kan eventuella skador på pålen samt deras lägen identifieras (Axelsson & Baker, 2007). Under drivning kan metoden användas för att kontrollera de spänningar som uppkommer i pålen vid installation och därigenom undvika att pålen skadas under installationsprocessen. Beträffande ekonomi så är dynamisk provbelastning betydligt billigare än statisk provbelastning. Axelsson & Baker (2007) uppskattar att statisk provbelastning är minst 10 gånger dyrare jämfört med dynamisk provbelastning.

Statisk kontra dynamisk provbelastning

Vid utvärdering av den statiska bärförmågan för pålar ger olika utvärderingsmetoder olika geotekniska bärförmågor. Statisk provbelastning ger generellt sett en mer tillförlitlig bedömning av den statiska bärförmågan jämfört med dynamisk provbelastning (Axelsson &

LITTERATURSTUDIE.PROVNING AV PÅLAR ENLIGT EUROKOD 7 Baker, 2007). Vid dynamisk provbelastning kan dock, vilket precis nämnts, mer information erhållas beträffande pålens status. Dynamisk provbelastning enligt CAPWAP-metoden underskattar generellt den statiska bärförmågan (Paikowsky, 2004). Detta är viktigt att känna till då CAPWAP-analys används för att verifiera den statiska geotekniska bärförmågan. I Sverige är dynamisk provbelastning den absolut vanligaste metoden att använda för att verifiera den geotekniska bärförmågan. Detta beror delvis på att dynamisk provbelastning är billigare än statisk provbelastning, delvis eftersom dynamisk provbelastning är smidigare och går fortare att utföra jämfört med statisk provbelastning.

2.2 Provning av pålar enligt Eurokod 7

Vid dynamisk provning fås från mätning ett medel- och minimivärde av den geotekniska bärförmågan. Den exakta teorin för att beräkna den geotekniska bärförmågan vid stötvågsmätning presenteras ej vidare här. För att erhålla det karakteristiska värdet används medelvärdet av uppmätt bärförmåga, det minsta uppmätta värdet för bärförmågan samt en korrelationskoefficient vilken tar hänsyn till antalet utförda stötvågsmätningar. Följande formel ges i Eurokod 7 (CEN, 2004)

{

} (2.1)

där Rc,k är det karakteristiska värdet, (Rc, m)med är bärförmågans uppmätta medelvärde, (Rc, m)min

är bärförmågans minsta uppmätta värde och respektive är korrelationskoefficienter rekommenderade av Eurokoden och de nationella bilagorna. De rekommenderade värdena för

och är givna i Eurokoden samt i de nationella bilagorna till Eurokod och beror av antalet testade pålar. Rc, m fås fram vid stötvågsmätning och är den uppmätta bärförmågan vid

provning. Den minsta av kvoterna mellan medel- och minimivärde samt respektive är det karakteristika värdet vilket används i efterföljande beräkningar.

Det dimensionerande värdet för den geotekniska bärförmågan i tryck fås genom att dividera det karakteristiska värdet med en partialkoefficient och en modellfaktor givet i Eurokoden och de nationella bilagorna (CEN, 2004). Ekvationen är

(2.2)

där Rc,d är det dimensionerande värdet för den geotekniska bärförmågan, är

partialkoefficienten för en spetsburen påle under tryck och är modellfaktorn. Boverket och Trafikverket has båda angivit egna värden för och i de nationella bilagorna till Eurokod 7. Boverket och Trafikverket anger båda samma vilken återfinns i TK Geo samt i Boverkets nationella bilaga. Tabellerna nedan anger föreslagna av Eurokod, Boverket

LITTERATURSTUDIE.PROVNING AV PÅLAR ENLIGT EUROKOD 7

Tabell 2.1: Korrelationskoefficienter föreslagna av Eurokod (CEN, 2004).

≥2 ≥5 ≥10 ≥15 ≥20

1,60 1,50 1,45 1,42 1,4 1,50 1,35 1,30 1,25 1,25

Tabell 2.2: Korrelationskoefficienter föreslagna av Boverket (Boverket, 2013).

3 4 ≥5 ≥10 ≥15 ≥20 ≥40 Alla

Pålar

1,60 1,55 1,50 1,45 1,42 1,40 1,35 1,30 1,50 1,45 1,35 1,30 1,25 1,25 1,25 1,25

Tabell 2.3: Korrelationskoefficienter föreslagna av Trafikverket (Trafikverket, 2011).

3 4 ≥5 ≥10 ≥15 ≥20 ≥40 Alla

Pålar

1,60 1,55 1,50 1,45 1,42 1,40 1,35 1,30 1,50 1,45 1,35 1,30 1,25 1,25 1,25 1,25

Värt att notera är att andelen prövade pålar inte spelar någon roll vid dimensionering enligt Eurokod. Detta är konsekvent med avseende på hur en skattning av standardavvikelse och medelvärde utförs inom statistiken (Blom, et al., 2005). Andelen test spelar för detta syfte ingen roll utan enbart antalet utförda stötvågsmätningar. Om alla pålar prövas får ingen extra reduktion göras eftersom endast antalet provade pålar bestämmer vilket som skall användas vid tillämpning av Eurokodens föreslagna värden (CEN, 2004).

I de svenska nationella bilagorna har två ytterligare fall inkluderats, nämligen då 40 eller fler pålar provas samt då alla pålar provas. Boverkets föreslagna tillåter ett lägre värde då alla pålar i en pålgrupp har prövats med stötvågsmätning. Även Trafikverket tillåter lägre

jämfört med Eurokod om alla pålar i en grupp utvärderas med stötvågsmätning. Värt att notera är att angivna är exakt lika för Boverket och Trafikverket.

Modellfaktorn enligt TK Geo beror av vilken provningsmetod som är utförd samt pålens verkningssätt (TK Geo 11, 2011). Om pålen är mantelburen eller spetsburen har stor inverkan på . Exempelvis har en spetsburen påle, stötvågsmätt samt analyserad med CAPWAP,

= 0,85. En mantelburen påle har med samma analysmetod ett på 1,0. Ett lägre än

0,85 kan användas om pålen är ingjuten i berg (Alheid, et al., 2014). Eurokoden föreslår egna

LITTERATURSTUDIE.PROVNING AV PÅLAR ENLIGT EUROKOD 7 Trafikverket tillåter att divideras med en styvhetsfaktor, , om konstruktionen vilka pålarna är förankrade i är tillräckligt styv för att överföra krafter från ”svagare” till ”starkare” pålar (Trafikverket, 2011). Storleken på är 1,1. Produkten mellan och dividerat med styvhetsfaktorn får aldrig understiga 1,0. Följande uttryck kan ställas upp

(2.3)

där är styvhetsfaktorn vilken tar hänsyn till att lastspridning kan ske från vekare till styvare pålar. Då Ekvation (2.3) inte är uppfylld ansätts faktorn till 1,0 och det dimensionerande värdet är det uppmätta värdet dividerat med . Boverket och Eurokod tillåter inte denna reduktion om pålarna står i grupp förbundna via ett styvt fundament då stötvågsmätning används, vilket är att likställa pålen med att stå helt ensam (CEN, 2004; Boverket, 2013). För en spetsburen påle är enligt Eurokod 1,1, enligt Trafikverket 1,2 och enligt Boverket 1,3.

Vid statisk provbelastning tillåter Eurokod, Trafikverket och Boverket att används då last kan föras över från ”svaga” till ”starka” pålar (CEN, 2004). Även vid dimensionering med hjälp av den geotekniska undersökningen tillåts användning av . Att detta är tillåtet vid statisk provbelastning och vid användandet av den geotekniska undersökningen men ej vid dynamisk provbelastning kan förefalla märkligt då provningsmetoden varken påverkar eller utvärderar förmågan att omfördela last. Normalt provningsförförande är, vilket tidigare nämnts, att prova pålarna innan dessa sammanbinds med ovanliggande konstruktion. Då statisk provbelastning och den geotekniska undersökningen används som underlag är metoderna vid dimensionering mycket lika de vid dynamisk provbelastning. Skillnaden är att andra används, dock är för den geotekniska bärförmågan enbart beroende av påltyp varför denna är samma oavsett provningsmetod.

Kommentarer till provning av pålar enligt Eurokod

Vid dimensionering enligt normer kontrolleras enbart den högst belastade pålen. Eurokod 7 betonar i paragraf 7.6.2.1(6) vikten av att brott för en pålgrupp inte sker då endast en påle går till brott utan att ett antal pålar måste gå till brott (CEN, 2004; Frank, et al., 2004). Zhang et al. (2001) och Poulus (2005) har även de påvisat att effekten av pålar i grupp är gynnsam med hänsyn till brott för konstruktionen. Om någon eller några pålar går till geotekniskt brott betyder detta nödvändigtvis inte att hela pålgruppen kollapsar. Varken Boverket eller Trafikverket nämner paragraf 7.6.2.1(6) i de nationella valen, varför den förutsätts gälla. Dock tar Trafikverket, vilket tidigare nämnts, hänsyn till denna paragraf genom att tillåta användning av den tidigare presenterade . Boverket och Eurokod exkluderar då dynamisk provbelastning används för att verifiera den geotekniska bärförmågan.

Bauduin (2003) har utfört beräkningar med avsikten att förklara och visa hur Eurocode 7 är tänkt att fungera. Bauduin använder sig av resultat från den geotekniska undersökningen för att dimensionera den geotekniska bärförmågan och förklarar hur är framtagna. Variationskoefficienten vilken används nedan är definieras som

LITTERATURSTUDIE.FÖRVÄNTAD GEOTEKNISK BÄRFÖRMÅGA

(2.4)

där är variationskoefficienten för variabel i, är standardavvikelsen för variabel i och är medelvärdet för variabel i. Enligt Bauduin (2003) är framtagna så att då understiger 10-12 % beräknas den dimensionerande bärförmågan från medelvärdet av de uppmätta bärförmågorna. Om är större än detta används istället det minsta uppmätta värdet för att beräkna bärförmågan. Bauduin (2003) konstaterar även att för pålar föreslagen av Eurokod normalt är på säkra sidan. Istället för 1,1 föreslår Bauduin (2003) att

skall sättas till 1,2-1.25 vilket medför att pålantalet kan reduceras då möjligheten till

högre belastning i pålarna ges. Detta grundas på beräkningar utförda enligt Paikowski (2004). Viktigt att notera är att Bauduin utgår ifrån Eurokodens rekommenderade värden och inte de svenska nationella valen. Bauduin (2003) kommenterar även och konstaterar att dagens värde är en förenkling då faktorn egentligen är beroende av pålgruppens storlek. I dagsläget är

alltid 1,1 och därmed oberoende av pålgruppens storlek. Även Alheid et al. (2014)

kommenterar i Pålkommissions Rapport 106, PKR-106, och konstaterar att Eurokodens och Boverkets förhållningssätt till denna är inkonsekvent. Anledningen till detta är att tillåts användas då statisk provbelastning samt den geotekniska undersökningen utgör underlag för designen av den geotekniska bärförmågan men nekas att användas då dynamisk provbelastning utgör underlag för designen av den geotekniska bärförmågan.

2.3 Förväntad geoteknisk bärförmåg a

Vid verifiering av geoteknisk bärförmåga med stötvågsmätning måste en första uppskattning av geoteknisk bärförmåga göras. Detta har tidigare föreskrivits i Pålkommissionsrapport 98 (PKR-98) – Dimensionering av slanka slagna stålpålar (Bengtsson, et al., 2000). En ny rapport från Pålkommissionen har, i skrivande stund, precis publicerats, PKR-106 Verifiering av geoteknisk bärförmåga enligt Eurokod (Alheid, et al., 2014). Denna rapport föreskriver vilken geoteknisk bärförmåga som kan förväntas verifieras med avseende på materialet i pålarna samt vilka kontroller som utförs. Då ny PKR precis publicerats beskrivs enbart detta sätt.

Den begränsande geotekniska bärförmågan varierar enligt PKR-106 beroende på verifieringens omfattning samt vilket nationellt val beräkningen följer (Alheid, et al., 2014). Vilket material pålen består av påverkar även det vilken geoteknisk bärförmåga som kan verifieras. Begränsningen av verifierad bärförmåga finns av två anledningar, dels för att marken under eller runt om pålen skall klara av lasterna, dels för att pålen inte skall slås sönder vid stötvågsmätning av denna. Presenterade värden i kommande stycken gäller endast för slagna stålpålar. Vid användning av betongpålar gäller andra gränsvärden vilka återfinns i PKR-106.

Vid uppskattning av vilken bärförmåga som kan verifieras används nivåerna 1-3. Indelningen i dessa baseras på valt verifieringssätt samt vilken grad av produktionskontroll som utförs i projektet (Alheid, et al., 2014). Nivå 1 består av hävdvunna metoder och beräkning enligt WEAP. WEAP är ett datorprogram i vilket drivningssimulering av pålar kan ske. Stoppslagningen sker då enligt ett förbestämt schablonvärde eller baserat på WEAP-analysen.

LITTERATURSTUDIE.OLIKA METODER FÖR UTVÄRDERING AV SÄKERHET

Ingen produktionskontroll behöver utföras då nivå 1 används. Den rekommenderade maximala bärförmågan är 33 % av stuklasten för pålen vid dimensionering enligt Boverket och Trafikverket. För nivå 2 krävs en provpålning motsvarande minst 5 % av antalet pålar (Alheid, et al., 2014). Det minsta antalet provpålar skall dock begränsas till tre stycken representativa pålar inom en kvadrat med sidan 25 m. Produktionskontroll skall utföras då behov föreligger. Provpålning är en slags dimensionering genom provning vilket är tillåtet enligt Eurokod (CEN, 2004). Vid nivå 2 är den maximala dimensionerande geotekniska bärförmågan enligt Boverket 40 % av stuklasten för pålen (Alheid, et al., 2014). Motsvarande vid dimensionering enligt Trafikverket är 44 % av stuklasten för pålen. För nivå 3 krävs provpålning enligt nivå 2 samt minst 10 % produktionskontroll (Alheid, et al., 2014). Vid nivå 3 är den maximala dimensionerande geotekniska bärförmågan vid dimensionering enligt Boverkets nationella val 50 % av stuklasten. Motsvarande vid dimensionering enligt Trafikverket är 55 %.

Värt att notera är då Trafikverkets nationella val används får den maximala geotekniska bärförmågan, vilken bedöms kunna verifieras, multipliceras med om konstruktionen

medger att last kan föras över från svaga till starka pålar (Trafikverket, 2011; Alheid, et al., 2014). Boverket och Eurokoden tillåter inte denna ökning av bärförmåga för pålar kontrollerade med dynamisk provning, vilket tidigare nämnts, varför denna ökning ej är aktuell för dessa. Skillnaden i tillåtet utnyttjande mellan Boverket och Trafikverket relativt stuklasten för pålen är baserat på skillnaden i partialkoefficient mellan de två nationella valen. Baserat på vilket material pålen består av samt projektets komplexitet kan således en bedömning av den geotekniska bärförmågan utföras. Denna bedömning är ledande i vilken bärförmåga som kan tänkas verifieras vid provning med stötvågsmätning.

2.4 Olika metoder för utvärdering av säkerhet

Principiellt finns tre olika metoder för att utvärdera säkerheten för ett byggnadsverk och dessa kan delas in i 3 nivåer, nämligen nivå 1-3. De olika metoderna skiljer sig i hur de beaktar osäkerheter och beräknar brottsannolikheten.

Nivå 1 innebär att säkerheten för konstruktionen kontrolleras genom att kontrollera totalsäkerhetsfaktorn, SF. Följande klassiska ekvation används för att beräkna säkerhetsfaktorn

(2.5)

där är medelvärdet för bärförmågan och är medelvärdet för lasteffekten. Denna metod tar ingen hänsyn till spridningen av en variabel varför ett tillräckligt högt värde på säkerhetsfaktorn måste säkerställas (Bauduin, 2003). Detta betyder att en relativt ”säker” konstruktion kan ha samma säkerhetsfaktor som en ”osäker” då endast medelvärdena jämförs och spridningen utelämnas.

LITTERATURSTUDIE.SÄKERHETSINDEX

a) b)

Figur 2.2: Principskiss innehållandes två fall med samma β men olika brottsannolikheter.

Brottsannolikheten är sannolikheten att lasteffekten är större än bärförmågan, p(R<S). De båda fallen ovan har samma säkerhetsfaktor då medelvärdena för respektive variabel är samma. Figur 2.2 b) har en högre brottsannolikhet än Figur 2.2 a) då spridningen hos R och S gör det troligare att R>S än i det andra fallet.

Nivå 2 innebär att säkerheten för konstruktionen kontrolleras genom beräkning av säkerhetsindex, β. Vid utvärdering tas hänsyn till både medelvärde och spridning. Nivå 2-metoder är approximationer av nivå 3-metoder och kräver viss idealisering och approximation (Phoon, 2008; Thoft-Christensen & Baker, 1982). β-metoden är en ”First Order Reliability Method” (FORM) och tillhör nivå 2-metoderna. Nivå 2-metoder är de metoder vilka har använts i detta examensarbete. Den tidigare nämnda idealiseringen beskrivs nedan i avsnitt ”2.7 Transformation och viktningsfaktorer”.

Nivå 3 innebär att risken för brott kan beräknas ”exakt” (Thoft-Christensen & Baker, 1982). Exempel på nivå 3-metoder är Monte Carlo-simuleringar, MCS. Vid en MCS utförs många simuleringar där antalet brott registreras. Vid varje simulering slumpas en bärförmåga och en lasteffekt baserat på fördelningsfunktionen variablerna följer (Phoon, 2008). Sannolikheten för brott beräknas som antalet brott dividerat med antalet utförda simuleringar. Metoden är mycket beräkningstung då ett stort antal simuleringar måste genomföras när små brottsannolikheter skall beräknas.

2.5 Säkerhetsindex

Säkerhetsindex, β, är ett mått på säkerheten för konstruktionen. Då β för en konstruktion är känt kan brottsannolikheten enkelt beräknas. Boverket specificerar i ”Boverkets författningssamling” de β vilka krävs för att en konstruktion skall klassas som säker, här benämnt β0. Variabeln β0 är beroende av vilken säkerhetsklass (SK) konstruktionen klassas

LITTERATURSTUDIE.SÄKERHETSINDEX

Tabell 2.4: Boverkets specificerade β0 vilka skall vara uppfyllda vid dimensionering i

brottgränstillståndet (Boverket, 2013).

SK β 0 [-] Motsvarande ungefärlig brottsannolikhet

1 β0 ≥ 3,7 10-4

2 β0 ≥ 4,3 10-5

3 β0 ≥ 4,8 10-6

Ovan angivna β har referensperioden 1 år. Värt att notera är även att ovan nämnda β0 enligt

Boverket (2013) är avrundade när de presenteras i BFS. Motsvarande ej avrundade β0 är för

SK 1-3 3,72, 4,27 samt 4,75. I händelse att andra variabler har andra referensperioder måste variablerna konverteras till samma referensperiod. Eurokod anger följande relation för att konvertera β mellan olika referensperioder (CEN, 2002):

( ) [ ] (2.6)

där är en standard normalfördelning, är säkerhetsindex med referensperiod ye år och

är säkerhetsindex med referensperiod 1 år. De rekommenderade värdena för β0 enligt

Eurokoden presenteras i Tabell 2.5 nedan. Nedan angivna β0 har referensperioden 1 år. Då

partialkoefficientmetoden används anses β bli större än 3,8 vid en referensperiod av 50 år, vilket motsvaras av säkerhetsklass RC2 och ett β på 4,7 med en referensperiod av 1 år (CEN, 2004). Värt att notera är att Eurokodens angivna β för SK RC2 är nästan lika högt som det β0

vilket används vid SK 3 i Sverige. De i Tabell 2.5 specificerade är ej aktuella i Sverige utan här används de specificerade i Tabell 2.4 ovan vid dimensionering av konstruktioner. Ett flertal personer har studerat vilket β som är lämpligt både för enskilda pålar och för pålgrupper. Paikowsky (2004) rekommenderar att β för de enskilda pålarna skall vara minst 2,33 i pålgrupper med 5 eller fler pålar och 3,0 för pålgrupper med 4 eller färre pålar. Paikowsky baserar detta, bland annat, på utredningen genomförd av Zhang et al. (2001) där en sannolikhetsbaserad metod vilken tar hänsyn till redundansen i systemet har utvecklats. De använder sig av en ”First order second moment”-metod (FOSM) vid beräkningen då denna inte kräver en iterativ beräkningsgång. Den exakta metoden är en ”Load resistance factor design”-metod där β utvärderas med hjälp av och för de ingående variablerna samt baserat på en SF. En metod baserad på FOSM är generellt sätt mer oexakt

Tabell 2.5: Eurokodens specificerade β0 vilka skall vara uppfyllda vid dimensionering i

brottgräns (CEN, 2002).

SK β 0 [-]

RC1 β0 ≥ 4,2

RC2 β 0 ≥ 4,7

LITTERATURSTUDIE.GRUNDLÄGGANDE TILLFÖRLITLIGHETSANALYS

än en FORM-analys. Beräkningar utförda av Paikowsky (2004) visar att beräkning enligt FORM i genomsnitt ger cirka 10 % högre beräknat β jämfört med FOSM. Zhang et al. (2001) konstaterar att β bör skilja för en ensam påle, pålar i grupp och då flera pålgrupper är förankrade i samma överbyggnad. Detta grundas på förekomsten av grupp- och systemeffekter vilka ökar säkerheten i pålgruppen. Dessa effekter beskrivs i avsnitt ”2.10 Pålgruppseffekter” nedan. Zhang et al. (2001) nämner att ett för en pålgrupp på 3 – 3,5 är lämpligt vid dimensionering av pålgrupper. Värt att notera är att ovannämnda β skiljer sig relativt mycket jämfört med de β0 vilka rekommenderas av Eurokoden och de nationella

bilagorna.

Joint Committee on Structural Safety, JCSS (2001), presenterar vilka β de tycker bör användas vid dimensionering av konstruktioner. Dessa utvärderas baserat på konsekvensen av brott samt den relativa kostnaden för att öka säkerheten. Om den relativa kostnaden är hög tillåts en lägre säkerhet jämfört med då kostnaden för att öka säkerheten är låg. β 0 enligt JCSS

varierar mellan 3,1 och 4,7. Den kategori med högst konsekvens vid brott är den som bäst stämmer överens med Boverkets β0. Föreslagna β0 är för denna kategori 3,7, 4,4, och 4,7

vilket kan jämföras med Tabell 2.4 ovan.

2.6 Grundläggande tillförlitlighetsanalys

(2.7)

där är det totala medelvärdet och är den totala standardavvikelsen för gränsvärdesfunktionen vilken förklaras i avsnitt ”2.6.2 Gränsvärdesfunktionen” nedan. Då både bärförmåga och last är normalfördelade finns enkla formler för att räkna ut det sammanlagda medelvärdet och standardavvikelsen i exempelvis Thoft-Christiansen & Baker (1982). Om de ingående variablerna är normalfördelade och gränsvärdesfunktionen är linjär betyder detta att β kan beräknas som

√ (2.8)

där R och ES representerar bärförmåga respektive total last. Här är endast två variabler inkluderade, bärförmåga och last, vilka beskrivs med och .

2.6.1 Fördelningar

Vid sannolikhetsbaserad dimensionering måste varje variabel antas följa en viss fördelning. Exempel på fördelningar är normalfördelning, lognormalfördelning och Weibullfördelning

LITTERATURSTUDIE.GRUNDLÄGGANDE TILLFÖRLITLIGHETSANALYS

(Phoon, 2008). Normalfördelningen och lognormalfördelningen är de fördelningar vilka används i de utvecklade modellerna varför enbart dessa förklaras vidare.

Normalförd elnin g

Normalfördelningen är en vanligt förekommande fördelning då den är enkel att använda. Tabeller och liknande hjälpmedel för beräkning av brottsannolikhet är ofta utvecklade för normalfördelningen, varför det är önskvärt att använda denna.

Normalfördelningen sträcker sig från , där betecknar oändligheten, varför denna fördelning är olämplig att hantera variabler som inte kan anta negativa värden (Fenton & Griffiths, 2008). Normalfördelningen har således en sannolikhet större än noll att en variabel antar ett negativt värde, se Figur 2.3 nedan. Exempel på variabler vilka fysikaliskt ej kan anta negativa värden är elasticitetsmoduler och bärförmågor. Normalfördelningen är symmetrisk kring och denna punkt är den som statistiskt sett inträffar oftast.

Vid stora mängder data kan Centrala Gränsvärdessatsen (CGS) användas. Innebörden av CGS är att summan av oberoende, valfritt fördelade stokastiska variabler är ungefär normalfördelad (Fenton & Griffith, 2008; Blom, et al., 2005). Vid stora mängder av observationer kan alltså CGS användas för att reducera svårigheten i beräkningarna då normalfördelningen generellt sätt är lättare att hantera än andra fördelningar, givet att parametrarna är oberoende.

Lognormalfördelnin g

Lognormalfördelningen har en utbredning mellan varför negativa värden aldrig kan uppkomma (Fenton & Griffith, 2008). För variabler där negativa värden fysikaliskt inte kan vara är lognormalfördelningen en lämplig fördelning att anta. Lognormalfördelningen och normalfördelningen är lätta att konvertera mellan då lognormalfördelningen härstammar från normalfördelningen. Om X är normalfördelad är lognormalfördelad. Täthetsfunktionen, g(x), beskriver sannolikheten att värdet x antas av variabeln i fråga. Sannolikheten att ett värde mindre än ett specificerat värde antas kan för lognormalfördelningen beräknas enligt (Ang & Tang, 2007)

∫

(2.9)

där är det specificerade värdet vilket utgör gränsen och betecknar sannolikheten att

detta inträffar. Om en normalfördelad variabel används kan Ekvation (2.9) fortfarande användas med undantaget att integralen skall beräknas från istället för 0. En relation som gäller för alla täthetsfunktioner är att

∫

(2.10)

där 1 betyder 100 % chans att något av alla värden antas. För lognormalfördelningen räcker det dock om integralen räknas från 0 istället för .

LITTERATURSTUDIE.GRUNDLÄGGANDE TILLFÖRLITLIGHETSANALYS

Figur 2.3: Illustration av täthetsfunktionen för Normal- och Lognormalfördelning med µ=10 och σ=5. Den streckade linjen motsvarar lognormalfördelningen och den heldragna motsvarar normalfördelningen.

I Figur 2.3 ovan illustreras skillnaderna mellan normalfördelningen och lognormalfördelningen. Båda täthetsfunktionerna utgår ifrån µ=10 och σ=5. Som synes sammanfaller ej medelvärdet med den högsta punkten på täthetsfunktionen för lognormalfördelningen. Detta betyder att medelvärdet inte är det vanligast förekommande värdet för lognormalfördelningen. I Figur 2.3 är det även synligt att lognormalfördelningen inte kan anta negativa värden utan slutar att existera vid noll. Sannolikheten att en variabel vilken följer lognormalfördelningen antar ett negativt värde är således noll. Även normalfördelningens egenskaper vilka är beskrivna ovan är enkla att identifiera i Figur 2.3 ovan.

Relationen mellan den underliggande normalfördelningen (X) och lognormalfördelningen (Y) är (Fenton & Griffith, 2008)

(

) (2.11)

(2.12)

där är den underliggande normalfördelningens standardavvikelse, är den underliggande normalfördelningens medelvärde och samt är lognormalfördelningens medelvärde respektive standardavvikelse. För att belysa relationen mellan lognormalfördelningen och den underliggande normalfördelningen illustreras relationen med ett exempel: Den geotekniska bärförmågan för pålar har mätts upp ett antal gånger och antas vara lognormalfördelad. Medelvärde och standardavvikelse, μln respektive σln, för lognormalfördelningen kan skattas

med metoder angivna i exempelvis Blom et al. (2005). Medelvärdet för en datamängd skattas normalt enligt 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 -10 0 10 20 30

g(

x)

[-]

x

[-]

LITTERATURSTUDIE.GRUNDLÄGGANDE TILLFÖRLITLIGHETSANALYS

̅ ∑

(2.13)

där ̅ är det skattade medelvärdet för datamängden , är ett värde ur och är antalet utförda provningar. Standardavvikelsen för en datamängd kan skattas enligt följande

∑ ̅

(2.14)

där är den skattade standardavvikelsen, ibland även kallad . Y är då lognormalfördelade med medelvärde μln och standardavvikelse σln. Den underliggande normalfördelningens

medelvärde och standardavvikelse, λ respektive ζ, kan sedermera beräknas enligt Ekvation (2.11) och Ekvation (2.12) givna ovan. X är således normalfördelad med medelvärde λ och standardavvikelse ζ. Den lognormalfördelade variabeln, Y, kan beskrivas med hjälp av den underliggande normalfördelade variabeln, X, enligt

(2.15)

vilken sedan används vid beräkning av exempelvis .

2.6.2 Gränsvärdesfunktionen

Gränsvärdesfunktionen är en funktion vilken analytiskt beskriver aktuellt problem. Exempel på gränsfunktion är exempelvis f=R-S, där R kan vara momentbärförmågan för en balk och S är momentet lasteffekten ger upphov till. Viktigt att notera är att gränsen mellan brott och en fungerande konstruktion är då f=0 (Thoft-Christensen & Baker, 1982). Värden på f större än 0 betyder att konstruktionen är intakt medan värden mindre än 0 betyder att konstruktionen har gått till brott.

Om f är olinjär så kan en approximation göras genom att linearisera f med Taylorutveckling (Thoft-Christensen & Baker, 1982). Det kan visas att vid en sådan linearisering spelar vald punkt att linearisera kring stor roll för beräknat β. Detta betyder att olika f inte nödvändigtvis ger samma resultat - f är således ej invariant. Matematiskt uttryckt betyder detta att f=R-S och

f=R/S-1 inte nödvändigtvis resulterar i samma beräknade β. Hasofer & Lind (1974) föreslog

därför ett annat sätt att beräkna β vilket gör f invariant presenterat nedan i avsnitt ”2.7 Transformation och viktningsfaktorer”.

LITTERATURSTUDIE.TRANSFORMATION OCH VIKTNINGSFAKTORER

2.7 Transformation och viktningsfaktorer

För att gränsvärdesfunktionen skall bli invariant måste en transformation i koordinatsystem göras. Basvariablerna normaliseras vilket ger upphov till en ny variabel, Z, vilken följer den standardiserade normalfördelningen N(0,1), där och . Normaliseringen sker enligt följande för en normalfördelad variabel (Hasofer & Lind, 1974)

(2.16)

där är den standardiserade normalfördelningen för variabel i, är den tidiagre normalfördelade variabeln, är standardavvikelsen för och är medelvärdet för .

Genom att göra gränsvärdesfunktionen beroende av Zi istället för den tidigare variabeln, Xi,

representerar β grafiskt den kortaste sträckan mellan origo och där gränsvärdesfunktionen är noll, se Figur 2.4 nedan. Den punkt på gränsvärdesfunktionen vilken ligger närmast origo kallas normalt för designpunkten (Faber, 2007). Geometriskt sätt kan Zi uttryckas i en

viktningsfaktor och β enligt

(2.17)

där är viktningsfaktorn för variabel i. Faktorn visar relevansen för varje variabel i gränsvärdesfunktionen (Thoft-Christensen & Baker, 1982). Ett högt för en given variabel betyder att den variabeln påverkar mycket. Om spridningen för en variabel med ett högt reduceras påverkas beräknat β mer än då spridningen för en variabel med ett lägre reduceras.

Figur 2.4: Viktningsfaktorerna αR och αS samt β grafiska representation. FORM

approximerar lösningen med en rät linje i designpunkten (modifierad efter Thoft-Christiansen & Baker (1982)).

LITTERATURSTUDIE.TRANSFORMATION OCH VIKTNINGSFAKTORER

Eurokod definierar för bärförmågeparametrar som positiva medan för lastparametrar enligt definitionen är negativa (CEN, 2002; Eriksson, et al., 2004). Hur är definierad är viktigt då f ställs upp, skall resultera i att reducera bärförmågeparametrar medan lastparametrar skall ökas. Detta betyder att resultatet från Hasofer-Lind transformationen givet i Ekvation (2.16) ovan måste modifieras med ett minustecken för att definitionen av skall vara konsekvent med Eurokodens definition. Resultatet blir följande om Ekvation (2.16) och Ekvation (2.17) kombineras samt ett minustecken införs för att anpassa till Eurokodens definition

(2.18)

När en parameter är lognormalfördelad så används λ och ζ istället för och , annars genomförs Hasofer och Linds transformation som för en normalfördelad variabel. När transformationen av den underliggande normalfördelningen är genomförd används Ekvation (2.15) för att erhålla en lognormalfördelad variabel vilken sedermera används vid beräkning av β.

Enhetsvektorn ̅ innehåller alla och beskriver endast en riktning vilket medför att längden av vektorn skall vara 1 (Thoft-Christensen & Baker, 1982). Detta är en bra kontroll att utföra för att undvika eventuella räknefel. Matematiskt beskrivs detta som

∑

(2.19)

där m är antalet stokastiska variabler i f. Följande ekvation kan användas för att beräkna då f är känd (Thoft-Christensen & Baker, 1982)

̅ √∑ ( ̅ )

(2.20)

där ̅ är en enhetsvektor vektor innehållandes alla viktningsfaktorer. Ytterligare en ekvation krävs för att kunna lösa de obekanta variablerna. Brott sker då f = 0. Matematiskt kan detta skrivas som (Thoft-Christensen & Baker, 1982)

(2.21)

där representerar och så vidare. Ekvationerna härledda ur Ekvation (2.20) kan tillsammans med Ekvation (2.21) användas för att iterativt lösa β och . Designpunktens läge kan således beräknas och storleken på β erhållas. Detta illustreras grafiskt i Figur 2.4 ovan. Viktigt att notera är att den beräknade brottsannolikheten eller β inte nödvändigtvis är en indikator för den riktiga brottsannolikheten då denna till stor del kan bero på den mänskliga faktorn (CEN, 2002).